基于應(yīng)力強度因子的發(fā)動機(jī)連桿裂解力數(shù)值模擬分析

文/張強 張程，承德蘇墾銀河連桿有限公司 河北省發(fā)動機(jī)連桿工程技術(shù)研究中心

1 引言

發(fā)動機(jī)連桿是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，用于連接發(fā)動機(jī)活塞與曲軸，將活塞的直線運動轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。連桿裂解加工工藝是將連桿整體鍛造加工后，通過大頭孔內(nèi)激光刻槽進(jìn)行裂解，實現(xiàn)連桿的體蓋分離，汽車發(fā)動機(jī)連桿是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，用于連接發(fā)動機(jī)活塞與曲軸，將活塞的直線運動轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。連桿裂解加工工藝是將連桿整體鍛造加工后，通過大頭孔內(nèi)預(yù)制的裂解槽進(jìn)行裂解，實現(xiàn)連桿的體蓋分離。設(shè)備主要由連桿自動輸送系統(tǒng)、連桿漲斷除塵系統(tǒng)以及震動盤限位塊自動上料系統(tǒng)組成。通過自動供給機(jī)構(gòu)將連桿運輸至機(jī)械手抓取位置，由機(jī)械手將連桿抓取至夾具，在連桿漲斷區(qū)域依次完成連桿的刻槽、脹斷、螺栓預(yù)擰緊、松開震動除渣、吸渣及螺栓終擰緊。以往數(shù)個工位需完成的加工集成到一個工位，減少了工件運輸時間，提升了生產(chǎn)效率。通過變距機(jī)構(gòu)的設(shè)計，設(shè)備能加工多種型號的連桿。連桿漲斷除塵設(shè)備的研制，對連桿裂解自動化與柔性化生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計研究具有一定的指導(dǎo)意義。

2 裂解加工原理

在進(jìn)行裂解加工前，首先需要加工出整體連桿，在連桿大頭孔處作用垂直于連桿蓋與連桿體接觸面的載荷時，會在預(yù)制微裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中。由斷裂力學(xué)理論可知，當(dāng)裂尖應(yīng)力強度因子達(dá)到材料斷裂韌度時，連桿大頭將沿激光開裂。裂解后的連桿蓋與連桿體接觸面呈犬牙交錯態(tài)，每個連桿體僅有一個連桿蓋與之完美配合，配合精度極高。

3 連桿體的三維實體造型

連桿體包含由曲面構(gòu)成的型腔、與曲軸連接的大頭孔、與活塞銷連接的小頭孔、連桿脹斷加工后將連桿體與連桿蓋裝配后進(jìn)行拉緊的螺栓孔。通過拉伸命令對連桿體基礎(chǔ)部分進(jìn)行造型;在創(chuàng)建型腔特征時，首先在型腔底面構(gòu)建一張曲面，繪制型腔的草圖輪廓后，利用添加減材料拉伸特征完成型腔的創(chuàng)建，在底部曲面與垂直側(cè)面之間進(jìn)行變半徑的邊倒圓，最后運用鏡像體命令，完成背面型腔的關(guān)聯(lián)復(fù)制;螺栓孔建模時，先添加一個沉頭孔，再添加一個詳細(xì)螺紋;完成以上關(guān)鍵特征的創(chuàng)建后，對連桿體的其余部位創(chuàng)建等半徑的邊倒圓，這樣就完成了連桿體的三維實體建模。

4 連桿體正面、背面自動編程與仿真加工

連桿體正面和背面需要去除大量的余量，開粗時采用型腔銑加工，選用D17R0.8的圓鼻刀，設(shè)置切削模式為跟隨周邊，在深度方向用多個切削層進(jìn)行切削，每一層的切削深度為0.5;設(shè)置進(jìn)刀類型為螺旋線，切削順序為深度優(yōu)先，圖樣方向為向外，刀具從連桿體型腔的內(nèi)部向外部進(jìn)行切削;設(shè)置光順為所有刀路，拐角半徑為0.5，步距限制為150，兩刀軌拐角處的距離為1.5倍刀徑;設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為1820r/min，切削進(jìn)給速度為2500mm/min。刀具運動軌跡一般有重播、3D動態(tài)、2D動態(tài)3種模式。連桿體正面開粗加工后，有一些部位沒有加工到，還有較多余量，需要使用較小的刀具進(jìn)行型腔銑二次開粗，二次開粗選擇使用基于層的方式，選用D8R4的球刀，修改主軸轉(zhuǎn)速為2500r/min，切削進(jìn)給速度為1500mm/min。連桿體背面切削區(qū)域比正面少，參數(shù)設(shè)置類似。

5 裂解力對塑性區(qū)的影響

根據(jù)裂解工藝原理可以看出，裂解槽微裂紋尖端塑性區(qū)的存在，導(dǎo)致裂解過程中結(jié)構(gòu)必然產(chǎn)生塑性變形。因此，裂紋尖端塑性區(qū)的大小直接決定了裂解完成后連桿蓋與連桿體的嚙合質(zhì)量。裂紋尖端塑性區(qū)過大，會導(dǎo)致連桿蓋與連桿體嚙合質(zhì)量較差，甚至導(dǎo)致連桿大頭失圓，大幅增加連桿裂解工藝的次品率。連桿裂解力大小對裂尖塑性區(qū)的影響研究具有十分關(guān)鍵的工程意義。文中以初始微裂紋長度a=0.5mm為例，其斷裂韌度下的裂解力為18.49kN。由于低于斷裂韌度對應(yīng)的裂解力不會是使裂紋擴(kuò)展，因此此處僅分析裂解力大于等于斷裂韌度對應(yīng)的裂解力對塑性區(qū)的影響，從而為裂解力閾值的合理確定提供指導(dǎo)。

6 基本理論

有限元模型劃分好單元后，定義一條分界線或一個分界面，將其視為裂紋。根據(jù)斷裂力學(xué)和有限元法知識可知，裂紋所在單元內(nèi)位移場不連續(xù)，并且單元內(nèi)裂尖存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。為描述單元內(nèi)及裂尖位移場的不連續(xù)性及奇異性，Belytschko基于原有單元位移函數(shù)，提出了跳躍函數(shù)和裂尖增強函數(shù)：

式中：i 為所有節(jié)點的集合；j 為不包含裂尖單元的節(jié)點；k 為包含裂尖單元的節(jié)點；,,i j kN N N 為節(jié)點形函數(shù)；,,i j ku a b為節(jié)點位移；H x 為跳躍函數(shù)。描述單元內(nèi)不連續(xù)位移場，見式（2）：

為裂尖增強函數(shù)，描述裂尖附近的奇異位移場，用極坐標(biāo)表示（其中，,r所在坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點為裂尖）：定義分析選項時，采用幾何非線性計算裂紋擴(kuò)展速率和路徑。計算應(yīng)力強度因子時，設(shè)定裂紋不擴(kuò)展，應(yīng)不考慮幾何非線性。設(shè)置裂紋類型為 XFEM 裂紋，計算裂紋擴(kuò)展速率及路徑時可擴(kuò)展，計算應(yīng)力強度因子時不可擴(kuò)展。連桿斷裂剖分時，由于微裂紋于切口根部萌生，同時發(fā)生小范圍屈服，為精確分析塑性區(qū)范圍，需細(xì)化切口附近網(wǎng)格。根據(jù)上述特點，將連桿大頭端劃分為裂紋區(qū)與非裂紋區(qū)。預(yù)制初始裂紋附近區(qū)域網(wǎng)格采用 8 節(jié)點六面體單元C3D8R，有限元模型單元總數(shù)約為 56 萬，裂紋附近區(qū)域網(wǎng)格數(shù)大于 45 萬，占總網(wǎng)格的數(shù) 80%以上。

7 結(jié)語

發(fā)動機(jī)實現(xiàn)批產(chǎn)，必須要完成耐久試驗，冷熱沖擊試驗，共振試驗，還有各項專項試驗等等。文章這個案例是發(fā)在試驗期間，連桿的斷裂故障直接導(dǎo)致發(fā)動機(jī)報廢。不僅塑性區(qū)較小，也更接近平面應(yīng)變狀態(tài)，因此最為理想的裂解力為材料斷裂韌度對應(yīng)的裂解力。